บทที่ 4 พลังงานนิวเคลียร์

พลังงานนิวเคลียร์

           ดวงอาทิตย์เปรียบเสมือนเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ขนาดใหญ่ในธรรมชาติ ที่ให้พลังงานแก่โลกของเรา นอกจากนี้มนุษย์ยังสร้างเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ เพื่อใช้ประโยชน์จากพลังงานนิวเคลียร์ในการผลิตไฟฟ้า และใช้ประโยชน์จากกัมมันตภาพรังสี ในทางการแพทย์และอุตสาหกรรม เป็นต้น

4.1  การค้นพบกัมมันตภาพรังสี

เบคเคอเรล (Henri Becquerel) นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส เป็นผู้ค้นพบกัมมันตภาพรังสีในสารประกอบยูเรเนียม เรียกว่า รังสียูเรนิก ในขณะที่ทำการวิเคราะห์เกี่ยวกับรังสีเอกซ์  กัมมันตภาพรังสีมีสมบัติแตกต่างจากรังสีเอกซ์ คือ มีความเข้มน้อยกว่ารังสีเอกซ์  การแผ่รังสีเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องตลอดเวลา

       ธาตุกัมมันตรังสี (Radioactive Elements) หมายถึง ธาตุที่มีในธรรมชาติที่แผ่รังสีออกมาได้เอง

       กัมมันตภาพรังสี (Radioactivity) เป็นปรากฎการณ์อย่างหนึ่งของสารที่มีสมบัติในการแผ่รังสีออกมาได้เอง กัมมันตภาพรังสี ที่แผ่ออกมามีอยู่ 3 ชนิดด้วยกัน คือ รังสีแอลฟา รังสีเบตา และรังสีแกมมา
โดยเมื่อนำสารกัมมันตรังสีใส่ลงในตะกั่วที่เจาะรูเอาไว้ให้รังสีออกทางช่องทางเดียวไป ผ่านสนามไฟฟ้า พบว่ารังสีหนึ่งจะเบนเข้าหาขั้วบวกคือรังสีเบตา อีกรังสีหนึ่งเบนเข้าหาขั้วลบคือรังสีแอลฟาหรืออนุภาคแอลฟา ส่วนอีกรังสีหนึ่งเป็นกลางทางไฟฟ้าจึงไม่ถูกดูดหรือผลักด้วยอำนาจแม่เหล็กหรืออำนาจนำไฟฟ้า ให้ชื่อรังสีนี้ว่า รังสีแกมมา ดังรูป

การเกิดกัมมันตภาพรังสี

    1. เกิดจากนิวเคลียสในภาวะพื้นฐาน รับพลังจำนวนมากทำให้นิวเคลียสกระโดดไปสู่ระดับพลังงานที่สูงขึ้น ก่อนกลับสู่ภาวะพื้นฐานนิวเคลียร์จะคลายพลังงานออกมาในรูป “ โฟตอนที่มีพลังงานสูง “ ย่านความถี่รังสีแกมมา
    2. เกิดจากการที่นิวเคลียร์บางอัน อยู่ในสภาพไม่เสถียร คือมีอนุภาคบางอนุภาคมากหรือน้อยเกินไป ลักษณะนี้นิวเคลียร์จะปรับตัว คายอนุภาคเบตาหรือแอลฟาออกมา

สัญลักษณ์นิวเคลียร์ (nuclear symbol) เป็นสัญลักษณ์ที่แสดงจำนวนอนุภาคมูลฐานของอะตอมด้วยเลขมวลและเลขอะตอม เขียนแทนด้วยสัญลักษณ์ดังนี้

โดยที่  X  คือ  สัญลักษณ์ธาตุ
            Z  คือ  เลขอะตอม (atomic number) เป็นจำนวนโปรตอนในนิวเคลียส
            A  คือ  เลขมวล (mass number) เป็นผลบวกของจำนวนโปรตอนกับนิวตรอน

4.2  ไอโซโทป

   ไอโซโทป (Isotope) หมายถึง อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันที่มีโปรตอนเท่ากัน (หรืออิเล็กตรอนเท่ากัน ) แต่มีเลขมวลและจำนวนนิวตรอนต่างกัน (หรือมีมวลต่างกัน)

อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันจะมีจำนวนโปรตอนและอิเล็กตรอนเท่ากัน แต่จำนวนนิวตรอนอาจจะไม่เท่ากันก็ได้ ซึ่งมีผลทำให้มวลต่างกัน

อะตอมของธาตุดังกล่าวเรียกว่าเป็นไอโซโทป เช่น ¹²C, ¹³C และ ¹⁴C เป็นไอโซโทปกัน (เลขอะตอม C = 6 )

ไอโซโทปของธาตุบางชนิดอาจจะมีชื่อเรียกโดยเฉพาะ

เช่น ธาตุไฮโดรเจนมี 3 ไอโซโทป และมีชื่อเฉพาะดังนี้

¹₁H เรียกว่า โปรเตรียม ใช้สัญลักษณ์ H 

²₁H เรียกว่า ดิวทีเรียม ใช้สัญลักษณ์ D 

³₁H เรียกว่า ตริเตรียม ใช้สัญลักษณ์ T 

4.3 กัมมันตภาพรังสี

       เมื่อจำนวนนิวตรอนเพิ่มขึ้น จะทำให้นิวเคลียสไม่เสถียร และเกิดการเสื่อมสลายโดยตัวเอง หรือเกิดกัมมันตภาพรังสี และเรียกไอโซโทปของธาตุที่เกิดกัมมันตภาพรังสีนั้นว่า 

ไอโซโทปกัมมันตรังสี (radioactive isotope)

       ในช่วงปี พ.ศ. 2442-2443 เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด (Ernest Rutherford) และปอล วียาร์ (Paul Villard) ได้จำแนกอนุภาคและรังสีที่ได้จากการเกิดกัมมันตภาพรังสีเป็น 3 ชนิด ตามลักษณะการเบี่ยงเบน เมื่อปล่อยอนุภาคและรังสีให้เคลื่อนที่ผ่านสนามแม่เหล็ก พบว่าลำของอนุภาคและรังสี เกิดการเบี่ยงเบนออกไปทั้ง 2 ข้าง และบางส่วนำม่เกิดการเบี่ยงเบน จึงสามารถจำแนกอนุภาคและรังสีได้เป็น 3 ชนิด ได้แก่ 

อนุภาคแอลฟา (alpha particle) อนุภาคบีตา (beta particle) และรังสีแกมมา (gamma ray) โดยลำของอนุภาคแอลฟา และอนุภาคบีตาจะเบี่ยงเบนออกไปจากแนวเดิม แต่มีทิศทางตรงข้ามกัน แสดงให้เห็นว่าอนุภาคทั้ง 2 มีประจุไฟฟ้าต่างชนิดกัน ส่วนรังสีแกมมาไม่มีการเบี่ยงเบน แสดงว่ารังสีแกมมาเป็นกลางทางไฟฟ้า

     การสลายให้อนุภาคแอลฟา 

(อังกฤษ: Alpha decay) เป็นรูปแบบหนึ่งของการสลายตัวของสารกัมมันตรังสีซึ่งนิวเคลียสอะตอมจะปลดปล่อยอนุภาคแอลฟาออกมา ดังนั้นจึงเปลี่ยนสภาพ (หรือ 'สลาย') อะตอมโดยสูญเสียเลขมวล 4 และเลขอะตอม 2 เช่น:

 

อนุภาคแอลฟาคล้ายกับนิวเคลียสฮีเลียม-4 ที่มีเลขมวลและเลขอะตอมเท่ากัน

การสลายให้อนุภาคแอลฟาเหมือนกับการสลายให้กลุ่มอนุภาคอื่นๆเป็นกระบวนการ quantum tunneling พื้นฐาน การสลายให้อนุภาคแอลฟาไม่เหมือนกับการสลายให้อนุภาคบีตา การสลายให้อนุภาคแอลฟาถูกควบคุมโดยปฏิกิริยาต่อกันและกันระหว่างแรงนิวเคลียร์และแรงแม่เหล็กไฟฟ้า

การสลายให้อนุภาคแอลฟาเป็นรูปแบบของการสลายตัวของสารกัมมันตรังสีพบในนิวไคลด์ที่มีน้ำหนักมากเท่านั้น ตัวปลดปล่อยอนุภาคแอลฟาที่เบาที่สุดคือไอโซโทปที่เบาที่สุด (เลขมวล 106–110) ของเทลลูเรียม (ธาตุที่ 52)

เพราะมวลขนาดใหญ่ มีประจุไฟฟ้า +2 และอัตราความเร็วต่ำ เมื่อเทียบกับอนุภาคอื่นๆ อนุภาคแอลฟามักจะมีปฏิกิริยากับอะตอมอื่นๆและสูญเสียพลังงานของมันไป ดังนั้นการเคลื่อนตัวไปข้างหน้าของมันจะถูกหยุดในสองถึงสามเซนติเมตรของบรรยากาศของโลก

ฮีเลียมส่วนมากบนโลก (ประมาณ 99%) เป็นผลมาจากการสลายให้อนุภาคแอลฟาของแร่ที่ทับถมกันอยู่ใต้ดิน แร่ที่ประกอบไปด้วยยูเรเนียมหรือทอเรียม ฮีเลียมถูกนำขึ้นสู่ผิวโลกโดยเป็นผลิตภัณฑ์ที่เหลือของการผลิตก๊าซธรรมชาติ

การสลายให้อนุภาคบีตา

ในฟิสิกส์นิวเคลียร์, การสลายให้อนุภาคบีตา (อังกฤษ: beta decay) เป็นรูปแบบหนึ่งของการสลายตัวของสารกัมมันตรังสีที่อนุภาคบีตา(อิเล็กตรอนหรือโพซิตรอน) ถูกปลดปล่อยออกมา ในกรณีปลดปล่อยอิเล็กตรอน จะเป็น บีตาลบ () ขณะที่ในกรณีปลดปล่อยโพซิตรอนจะเป็นบีตาบวก () พลังงานจลน์ของอนุภาคบีตามีพิสัยสเปกตรัมต่อเนื่องจาก 0 ถึงค่าสูงสุดที่จะเป็นไป (Q) ซึ่งขึ้นกับสภาวะนิวเคลียร์ของต้นกำเนิดและลูกที่เกี่ยวข้องกับการสลาย โดยทั่วไป Q มีค่าประมาณ 1 MeV แต่สามารถมีพิสัยจากสองสาม keV ไปจนถึง สิบ MeV อนุภาคบีตากระตุ้นส่วนใหญ่มีความเร็วสูงมากเป็นซึ่งมีความเร็วใกล้เคียงอัตราเร็วของแสง

      การสลายให้อนุภาคแกมมา

      
      เกิดจากการที่นิวเคลียสมีพลังงานสูงและปรับให้กลับสู่สภาวะพลังงานต่ำด้วยการปล่อยโฟตอนออกมา ซึ่งจำนวนโปรตอนและนิวตอนจะไม่มีการเปลี่ยนแปลงก่อนและหลังการสลายตัว การสลายตัวให้รังสีแกมมาอาจเกิดจาก Isomeric Transition (IT) ที่เมื่อนิวเคลียสอยู่ในสภาวะ excited state เป็นเวลาค่อนข้างนาน หรืออยู่ในสภาวะ metastable state จะปรับตัวให้เสถียรโดยให้รังสีแกมมาออกมาหรือ Internal Conversion electrons ซึ่งตรงข้ามกับการสลายตัวให้รังสีแกมมาที่ปกติจะได้จากสารกัมมันตรังสีที่มีสภาวะ excited state เป็นเวลาค่อนข้างสั้น
          metastable state หรือเขียนด้วยตัว "m" จะเป็นสภาวะที่การสลายตัวให้รังสีแกมมานานกว่า 1 ns เช่น ^99mTc ดังแสดงในรูป 

ผังการสลายตัวของ^99m Tc ให้รังสีแกมมา

4.4 ครึ่งชีวิต

      ครึ่งชีวิตของธาตุ (half life) หมายถึง ระยะเวลาที่สารสลายตัวไปจนเหลือเพียงครึ่งหนึ่งของปริมาณเดิมใช้สัญลักษณ์เป็น t1/2 นิวเคลียสของธาตุกัมมันตรังสีที่ไม่เสถียร จะสลายตัวและแผ่รังสีได้เองตลอดเวลาโดยไม่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิหรือความดัน อัตราการสลายตัว เป็นสัดส่วนโดยตรงกับจำนวนอนุภาคในธาตุกัมมันตรังสีนั้น ปริมาณการสลายตัวจะบอกเป็นครึ่งชีวิตเป็นสมบัติเฉพาะตัวของแต่ละไอโซโทป

ตัวอย่างเช่น C-14 มีครึ่งชีวิต 5730 ปี หมายความว่า ถ้ามี C-14 1 กรัม เมื่อเวลาผ่านไป 5730 ปี จะเหลือ C-14 อยู่ 0.5 กรัม และเมื่อเวลาผ่านไปอีก 5730 ปี จะเหลืออยู่ 0.25 กรัม เป็นดังนี้ไปเรื่อยๆ กล่าวได้ว่าทุกๆ 5730 ปี จะเหลือ C-14เพียงครึ่งหนึ่งของปริมาณเดิม

4.5 ปฏิกิริยานิวเคลียร์

ปฏิกิริยานิวเคลียร์ คือ กระบวนการที่นิวเคลียสเกิดการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบซึ่งเกิดจากการยิงด้วยนิวคลีออน หรือกลุ่มนิวคลีออน หรือรังสีแกมมา แล้วทำให้มีนิวคลีออนเพิ่มเข้าไปในนิวเคลียสหรือออกไปจากนิวเคลียสหรือเกิดการเปลี่ยนแปลงจัดตัวใหม่ภายในนิวเคลียส สามารถเขียนสมการของปฏิกิริยาได้ดังนี้

โดยที่ X เป็นนิวเคลียสที่เป็นเป้า ,  คืออนุภาคที่วิ่งเข้าชนเป้า ,  คืออนุภาคที่เกิดขึ้นใหม่หลังจากการชน และ Y คือนิวเคลียสของธาตุใหม่หลังจากการชน

เช่น  แสดงถึงว่า  เป็นนิวเคลียสเป้าหมายที่ถูกยิง  เป็นนิวเคลียสของธาตุใหม่ที่เกิดขึ้น  คือนิวตรอนเป็นอนุภาคที่ใช้ในการยิง และ เป็นรังสีที่เกิดขึ้นใหม่ เป็นต้น นิวเคลียร์ฟิชชัน   ปฏิกิริยาฟิชชัน (Nuclear Fission) คือ ปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่เป็นผลจากการแตกตัวของนิวเคลียสของธาตุหนัก โดยกระบวนการที่เกิดขึ้นจากการยิง นิวตรอนไปยังนิวเคลียสของอะตอมหนัก แล้วทำให้นิวเคลียสแตกออกเป็น 2 ส่วนเกือบเท่ากัน ในปฏิกิริยานี้มวลของนิวเคลียสบางส่วนจะหายไป กลายเป็นพลังงานออกมา และเกิดนิวตรอนใหม่อีก 2 หรือ 3 ตัว ซึ่งวิ่งเร็วมากพอที่จะไปยิงนิวเคลียสของอะตอมอื่นต่อไปทำให้เกิดปฏิริยาต่อเนื่องเรื่อยไป เรียกว่า ปฏิกิริยาลูกโซ่ (chain reaction)

ปฏิกิริยาฟิวชัน

  ปฏิกิริยาฟิวชัน (Nuclear fusion) คือ ปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่นิวเคลียสของธาตุเบาหลอมรวมกันเข้าเป็นนิวเคลียสที่หนักกว่า และมีการปล่อยพลังงานนิวเคลียร์ออกมา (พลังงานเกิดขึ้นจากมวลส่วนหนึ่งหายไป) พลังงานจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันมีค่ามากกว่าพลังงานจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน เมื่อเปรียบเทียบจากมวลส่วนที่เข้าทำปฏิกิริยา ปฏิกิริยาฟิวชันที่รู้จักกันในนาม ลูกระเบิดไฮโดรเจน (Hydrogen bomb) เชื่อกันว่าพลังงานจากดวงอาทิตย์เกิดจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันคือ นิวเคลียสของไฮโดรเจน 4 ตัวหลอมรวมกันได้นิวเคลียสของฮีเลียม อนุภาคโพสิตรอน มีมวลส่วนหนึ่งหายไป มวลส่วนที่หายไปเปลี่ยนไปเป็นพลังงานจำนวนมหาศาล

4.6 การประยุกต์ใช้พลังงานนิวเคลียร์และกัมมันตภาพรังสีด้านการแพทย์

        การนำรังสี หรือสารกัมมันตรังสีมาใช้ให้เกิดประโยชน์ในทางการแพทย์นั้น เป็นส่วนหนึ่งของเทคโนโลยีนิวเคลียร์ที่ได้มีการคิดค้น และปรับปรุงขึ้น เพื่อช่วยให้แพทย์สามารถดำเนินการวินิจฉัย และรักษาโรคได้อย่างถูกต้อง รวดเร็ว และดียิ่งขึ้น ประโยชน์จากรังสีในทางการแพทย์มีหลายด้าน ดังต่อไปนี้ 

ภาพเอกซเรย์กระดูกด้วยเทคนีเชียม-๙๙ เอ็ม เอ็มดีพี แสดงการแพร่กระจายของมะเร็งมาที่กระดูก

ด้านการตรวจและวินิจฉัยโรค (Diagnosis) 

ก. การถ่่ายเอกซเรย์ 

เพื่อตรวจความผิดปกติของอวัยวะในร่างกาย เช่น ฟัน ปอด กระดูก 

ข. การตรวจการทำงานของระบบอวัยวะ 

โดยให้ผู้ป่วยรับประทาน หรือฉีดสารกัมมันตรังสีเข้าไปในร่างกาย แล้วทำการถ่ายภาพอวัยวะ จะช่วยให้แพทย์ทราบถึงบริเวณที่แน่นอนของอวัยวะที่สูญเสียหน้าที่ไป สารกัมมันตรังสีที่นำมาใช้ ได้แก่ 

• แกลเลียม-๖๗ (Gallium-67) ใช้ตรวจการอักเสบต่างๆ การเป็นหนอง เช่น ในช่องท้อง และใช้ตรวจหาการแพร่กระจายของมะเร็งในต่อมน้ำเหลือง
• คริปทอน-๘๑ เอ็ม (Krypton-81 m) ใช้ตรวจการทำงานของหัวใจ 
• เทคนีเชียม-๙๙ เอ็ม (Technetium-99 m) ใช้ตรวจการทำงานระบบต่างๆ เช่น ไทรอยด์ กระดูก สมอง ปอด ตับ ม้าม ไต และหัวใจ 
• อินเดียม-๑๑๑ (Indium-111) ใช้ติดตามเม็ดเลือดขาวเพื่อตรวจหาบริเวณอักเสบ ของร่างกาย ตรวจการอุดตันของไขสันหลัง ตรวจมะเร็งเต้านม รังไข่ และลำไส้ 
• ไอโอดีน-๑๓๑ (Iodine-131) ใช้ตรวจการทำงานของต่อมไทรอยด์ 
• ทอง-๑๙๕ (Gold-195) ใช้ตรวจการไหลเวียนของโลหิต
• แทลเลียม-๒๐๑ (Thallium-201) ใช้ตรวจสภาพหัวใจเมื่อทำงานเต็มที่ ตรวจสภาพการไหลของโลหิตเลี้ยงหัวใจ และตรวจสภาพกล้ามเนื้อหัวใจ

4.7 การวัดปริมาณกัมมันตภาพรังสี

หน่วยทางรังสี

  หน่วย คือ ชื่อเฉพาะที่กำหนดขึ้นเพื่อใช้บอกขนาดและปริมาณของสิ่งต่างๆ หน่วยของรังสีและกัมมันตภาพรังสี มีดังต่อไปนี้

ปริมาณรังสีที่ส่งผลกระทบต่อร่างกาย

มิลลิซีเวิร์ต (Millisievert: mSv)

                

     เป็นหน่วยวัดปริมาณรังสีที่ร่างกายได้รับ ยกตัวอย่าง เช่น โดยปกติใน 1 ปี แต่ละคนจะได้รับรังสีจากธรรมชาติประมาณ 2.23 มิลลิซีเวิร์ต ดังนี้

เครื่องวัดกัมมันตภาพรังสี

    ไกเกอร์ - มูลเลอร์ (Geiger Muller Counter) ทำงานโดยให้รังสีเข้าไปทำให้แก๊สในเครื่องวัดรังสีแตกตัวเป็นไอออน ซึ่งอัตราการแตกตัวเป็นไอออนที่วัดได้จะแปรผันตรงกับกัมมันตภาพรังสีของธาตุในขณะนั้น

4.8 โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ 

โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ เป็นโรงไฟฟ้าพลังความร้อนแบบหนึ่งที่ใช้แหล่งพลังงานความร้อนจากเครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้พลังงานนิวเคลียร์ในการผลิตไอน้ำแรงดันสูงจ่ายให้กับกังหันไอน้ำ กังหันไอน้ำจะไปหมุนเครื่องกำเนิดไฟฟ้าผลิตเป็นกระแสไฟฟ้าออกมา โดยเครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้ในการผลิตพลังงานนิวเคลียร์ สามารถแบ่งออกเป็น 2 ประเภทได้แก่ เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบวิจัย (อังกฤษ: Research Reactor) ที่ใช้ประโยชน์จากนิวตรอนฟลักซ์ในการวิจัย และระบายความร้อนที่เกิดขึ้นออกสู่ชั้นบรรยากาศ และเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์กำลัง (อังกฤษ: Power Reactor) ที่ใช้พลังความร้อนที่เกิดขึ้นเปลี่ยนเป็นพลังงานไฟฟ้า ซึ่งเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์กำลัง มีขนาดใหญ่โตกว่าเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์วิจัยเป็นอย่างมาก

โรงไฟฟ้านิวเคลียร์เป็นโรงไฟฟ้าชนิด Baseload คือผลิตพลังงานคงที่ โดยไม่ขึ้นกับกำลังงานที่ต้องการใช้จริง เนื่องจากต้นทุนเชื้อเพลิงมีราคาถูกเมื่อเทียบกับค่าใช้จ่ายอื่นๆในการผลิต (ในขณะที่โรงไฟฟ้าที่ใช้การต้มน้ำด้วยแหล่งพลังงานอื่น สามารถลดการจ่ายไฟลงครึ่งหนึ่งได้เวลากลางคืนเพื่อประหยัดค่าใช้จ่ายเชื้อเพลิง) กำลังไฟที่หน่วยผลิตจ่ายได้นั้นอาจมีตั้งแต่ 40 เมกะวัตต์ จนถึงเกือบ 2000 เมกะวัตต์ ในปัจจุบันหน่วยผลิตที่สร้างกันมีขอบเขตอยู่ที่ 600-1200 เมกะวัตต์